本文刊发于《民航学报》
摘要：为贯彻四型机场发展理念，改变进近灯光带高填方、填海、填湖或独立钢塔等传统建设模式，本文提出一种新型装配式钢桥设计方案，介绍了其构造形式及施工流程，利用有限元软件进行了力学验算和结构分析，针对其在正常使用以及风荷载、地震等的极端条件下表现验证其合理性和可靠性，并与传统方案进行了对比。该方案在提高土地利用率、减少拆迁和路网改线、降低工作人员高空作业风险，提高运营期间检修便利性等方面均能产生较好效益，在部分机场进近灯光系统建设时有较强的推广应用价值。
关键词：进近灯光系统，灯光带桥梁，装配式钢桥，BIM正向设计，模块化设计
0 引言
进近灯光系统（ApproachLighting System，ALS）是白天低能见度和夜间情况下，为进近飞机提供目视助航信息，帮助飞行员顺利完成飞机着陆的系统。
为尽量将进近灯光系统的灯具光中心与跑道入口灯的光中心保持在同一个水平面上，国内机场的灯光带一般有两种设计方案：一是采用填方方案，使灯光带具备符合设计高程的物理平面。国内一些临近海洋、湖泊的机场灯光带采用了填海、填湖的建设方式，部分山区机场也采用高填方建设灯光带，该方案为后期灯具维修提供了较为便利的条件，但也付出了工程投资巨大和生态环境的代价。二是采用“单灯+单塔”的建设方案。近年来，我国山区机场的灯光带建设大量采用该方案，相较填方方案，工程投资和环保效益明显。但部分铁塔高度较高，最高的铁塔已经超过120m，为机场运营期间的灯具维修带来了困难。部分高铁塔通过增设载人轿厢的方式解决该问题，但工作人员在检修多个灯塔时需多次乘轿厢上下，维修效率较低和高空安全隐患又成为新的问题，系统的运营和养护成本居高不下。除此之外，上述两种方案均未解决灯光带受公（铁）路网、河流、建（构）筑物的影响问题，征地、拆迁和改路改线的协调实施难度往往比灯光带建设本身更加困难，带来了额外的投资浪费。
为贯彻绿色机场发展理念，改变进近灯光带高填方、填海、填湖等传统建设模式带来的生态影响；贯彻平安机场发展理念，减少工作人员上下高塔维护的高空作业风险；贯彻人文机场发展理念，提高工作人员在运营期间的检修便利性，本文提出一种新型装配式钢桥设计方案，旨在节约工程投资、缩短施工周期、提高维护检修安全性及效率，并通过有限元分析验证其合理性和可靠性。本方案适用条件较好，可灵活调节跨度、高度以适合各类复杂地形、地貌，减少征地、拆迁和三改，采用BIM模块化正向设计亦可大大缩短设计工期。
1 工程应用案例概况
某机场场址位于平均海拔超过300m的山脊之上，机场飞行区等级为4C级，跑道长2600m、宽45m。主降跑道方向设置I类仪表着陆系统；因机场位于山区，机场建设时削山填沟，石方工程量较大。受山区地形限制，次降跑道方向为DVOR进近标准配合420m简易进近灯光和PAPI灯。
为满足机场发展需要，提高空域使用效率和机场安全保障能力，2018年，民航管理部门和省发改部门联合批复该机场在次降跑道建设I类仪表着陆系统，配套将现有简易灯光系统进行改造为720m进近灯光系统。
2 原设计方案
由于次降方向场外地势落差较大，720m的助航灯光系统需跨越两道深沟和一座山丘，工程实施难度较大。
图1 原设计方案铁塔布置图
该工程原设计方案采用“单灯+单塔”形式，按照助航灯光设置标准每间隔30m建设一座铁塔，在铁塔顶部架设助航灯具。工程需要改造现有2座铁塔，增设11座铁塔，铁塔中心离地高度18m-100m。为便于日后检修，计划在部分铁塔加装检修升降机。
因最外侧铁塔与市政道路位置重合，铁塔按《飞行区技术标准》要求无法偏移，且市政道路刚刚建设完工，协调道路改线难度较大，投资成本较高，历经一年多时间协调，仍难以推进实施。
3 新设计方案
为满足民航助航灯光标准要求，同时避免市政道路改线，借鉴公路钢桥设计经验，尝试采用一种新型装配式灯光带钢桥方案，即将灯具安装在“人行天桥”上。该方案由民航目视助航专业设计人员提供结构物平台的标高、长度、宽度、纵坡等基准设计参数，桥梁专业设计人员根据相关技术指标进行结构设计，共同配合完成。
3.1 方案比选
针对本项目的建设条件，经过梁桥、拱桥、矮塔斜拉桥3个桥型方案，矩形、三角形桁架2种上部结构型式，独柱式、多柱式2种桥墩型式共10个方案的综合比选。部分典型比选方案如图2至图5所示。
图2 多柱墩矩形桁架悬臂连续梁桥方案
图3 独柱墩三角桁架悬臂连续梁桥方案
图4 矮塔斜拉桥方案
图5 双孔上承式预应力拉杆拱桥方案
考虑矮塔斜拉桥方案在飞机进近中易对飞行员产生心理干扰；拱桥方案需采用预应力拉杆平衡拱脚水平推力、方案复杂；最终在上部矩形、三角形桁架和下部独柱墩、多柱墩产生的4种梁桥方案中寻找推荐方案，并进行不同跨径的分析论证。本着经济、适用、稳妥的原则，最终选择“多柱墩悬臂上承式桁架连续梁”结构作为推荐方案。
3.2 推荐方案
上部结构采用5跨，跨度布置为（28.75+75+3×80+71.25）m，总长415m，灯具置于钢梁之上。在桥梁布跨和桥墩设置时考虑灯光带中部有一山丘，设计未追求较大的桥梁跨度，而是顺地势布设P3桥墩，形成现有桥跨布置。下部结构为钢塔墩结构，墩高30m-105m；基础采用桩基；主梁为空间桁架结构。检修道在主梁上顶面通长布置，方便灯光系统日常检修维护。
图6 推荐方案桥型立面布置图
因最外侧灯具下方为市政道路，采用长28.75m的悬臂梁放置灯具，以规避市政道路改线，该设计考虑为推动项目实施起到了关键作用。
4 新旧方案比较
新方案实施后，工程投资方面，除减少一条市政道路改线外，13座铁塔将减少至5个桥墩，征地面积、下部工程量等大幅减少；工程投用后，高空作业人员雇佣费用可常年节省，一直以来山区机场助航灯光维护难、检修险的问题随之解决。
表1 主要工程量造价对比
根据对比，新方案纵桥向每延米用钢量约1.5t，整体用钢量减少50%；下部基础方面，钢筋砼用量减少84%；征地面积减少80%；主要工程量的造价总计降低58%以上。
如考虑道路改线、检修升降机、助航灯光电缆等工程量减少，整体工程造价将由原来的超过8500万降至约1300万，节约工程投资超过7200万元。
5 新方案构造设计、参数标准和施工方案
5.1 构造设计
新型装配式钢桥上部结构为悬臂上承式空间桁架连续梁，主梁为空间桁架，基于BIM开发模块化设计，以2.5m×2.5m×5m的单个桁架作为设计单元，各构件选用标准型钢；下部结构采用刚架形式，桥墩上部设置V型支撑，构件为焊接圆钢管。模块化构件相互之间通过高强螺栓拼装连接。
5.2 设计技术参数及标准
5.2.1 设计技术参数及标准
根据相关技术要求及标准，确定了本项目主要设计指标如表2所示，并在设计阶段充分考虑实际情况下结构所受的荷载情况、约束条件以及施工状况等因素，确保结构安全可靠性，功能满足设计需求。
表2 设计技术参数及标准
5.5.2 荷载及组合
结构所受荷载根据规范主要有永久作用、可变作用以及地震作用。其中永久作用主要包括构建自重、附属设施重量（护栏扶手、桥面板、防护网等）以及助航灯具荷载；可变作用参照《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01 2018）相关规定取值，考虑了风荷载、检修人员荷载，温度作用，覆冰荷载等。由于该结构非承重结构且使用中无车辆等活动荷载，按照承载能力极限状态和正常用极限状态分别验算相关内容，并按照最不利情况考虑荷载组合，如下表3所示。
表3 荷载组合表
根据全国桥梁抗风风险区划及全国基本风速分布值可知，该地区风险区域为 R2 级、十年重现期基本风速为19 m/s 、五十年重现期基本风速为24 m/s。检修荷载考虑2.5kN/m2。二期作用包含附属设施重量（如栏杆扶手、桥面板防落网等）及灯具重量，附属设施重量取为2 kN/m，单个灯具及其附加设施重量取为 2 kN。温度作用，按照 ±15℃ 考虑，覆冰荷载取覆冰 15mm 进行计算。
5.3 施工方案
初步的施工方案按5个步骤考虑如下：基础施工；起重机完成桥墩施工；梁端运输就位后，依次吊装各墩顶梁段，利用提升吊索和吊装滑车将模块化上部构件逐件提升、滑移到位并进行拼接安装。提升钢索的提升通过卷扬机进行牵引，吊装滑车的水平移动通过牵引卷轴器牵引，吊装由两侧依次循环进行对称拼装；依次吊装各跨中合龙段；重复以上步骤，直至上部结构施工完成，撤除安装辅助工具。如图7所示。
图7 施工示意图
6 结构计算分析结果
6.1 结构力学计算
6.1.1 基本组合
基本组合作用下，主梁、桥墩最不利应力结果分别如图8、图9所示。主梁最大拉应力为173MPa、最大压应力为195 MPa，桥墩最大拉应力为 116 MPa、最大压应力为 190 MPa。
图 8 基本组合下主梁应力结果（单位：MPa）
图 9 基本组合下桥墩应力结果（单位：MPa）
6.1.2 频遇组合
正常使用极限状态频遇组合下，结构最大竖向变形如图10所示，最大竖向位移为14.1cm，结构最大横向变形如图11所示，最大横向位移为 24cm。
图10 频遇组合下结构最大竖向变形云图（单位：mm）
图11 频遇组合下结构最大横向变形云图（单位：mm）
6.1.3 地震组合
钢结构桥塔通常在设计时考虑到风荷载的影响，这是环境动态扰动的唯一来源。即使在高风险地震区，地震作为破坏或服务能力丧失的可能来源的影响也常常被忽略[1]。但是，至少应通过适当的分析方法来证明忽略地震影响是合理的。设计需能满足大震不屈服的性能目标要求。根据《公路工程抗震规范》，阻尼比为0.05的水平设计加速度反应谱中，任意时点的水平设计加速度反应谱值S可由以下公式确定：
图12 地震组合下结构主梁应力结果（变形后）（单位：Pa）
图 13 地震组合下结构桥墩应力结果（变形后）（单位：Pa）
6.2 结构分析
6.2.1 屈曲分析
通过计算结果可知，该结构控制荷载为风荷载，故以自重及二期荷载为恒载，计算结构在风荷载作用下的屈曲模态[2,3]，具有增量载荷的几何非线性分析可以产生评估P–Δ效应对塔架整体变形特性的影响所必需的载荷-挠度曲线 [4]。结构屈曲特征值计算结果如图14所示，前三阶屈曲模态如图15所示。
图14 结构屈曲特征值图
图15 风荷载作用下结构一、二、三阶屈曲模态
6.2.2 模态分析
结构前四阶自振模态计算结果如表4所示，前四阶振型如图16所示。
表 4 结构自振模态
图 16 结构前四阶自振模态
6.2.3 杆件整体稳定分析
根据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）对各杆件进行整体稳定分析，取主梁上弦杆、下弦杆、直腹杆、斜腹杆、平纵联、斜纵联，桥墩主墩、桥墩斜联、桥墩斜撑等最不利杆件进行整体稳定计算，计算结果如表5所示。根据计算结果，所有构件整体稳定满足规范要求。
表5 杆件整体稳定计算表
6.2.4 杆件局部稳定分析
根据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）对各杆件进行整体稳定分析，取主梁上弦杆、下弦杆、直腹杆、斜腹杆、平纵联、斜纵联，桥墩主墩、桥墩斜联、桥墩斜撑等最不利杆件进行稳定计算，计算结果如表6所示。根据计算结果，所有构件稳定性满足规范要求。
表 6 整体稳定计算表
6.2.5 桁架节点验算
在梁截面高度一定时其抗弯承载力的上限受制于受拉螺栓数量[5]，桁架部分节点连接处连接杆件数量较多，同一平面的直腹杆与斜腹杆由两片连接板采用高强度螺栓连接在一起，并将连接板焊接与弦杆翼缘与腹板处。为充分发挥节点的承载性能，并控制节点的屈服状态和螺栓拉力分布在所分析的参数的范围[6]，高强度螺栓采用选用10.9级摩擦型M16高强度螺栓，拼接板选用Q345钢板，厚度为10mm E50焊条对接焊缝[7]。
图17 节点示意图
6.2.6 计算分析小结
1)通过对整体的受力、变形等分析可见该结构受力合理，简便美观，实用性强，满足整体稳定和局部稳定，满足正常使用要求和承载能力极限验算。
2)通过分析研究，该结构控制荷载为风荷载，故可以自重及二期荷载为恒载，计算结构在风荷载作用下的屈曲模态进行结构分析。
3)该方案基于BIM开发模块化正向设计，以单个空间桁架单元作为最小组合单元，结构简便、易于标准化预制和拼装施工。
7 结论
本文对传统的机场助航灯光系统铁塔结构提出了按照桥梁结构处理的设计新思路，根据钢结构国标和公路桥梁等相关规范要求，结合民航实际工程情况，通过设计、计算和研究，得出以下结论：
1)对于工程本身，灯光桥方案只需少量墩和钢结构主梁即可承载较多数量的灯具，相比于每套灯具都需修建一座钢塔的独立结构，可降低施工难度和工程投资，缩减施工工期，更加经济合理。如该方案广泛应用，每年可为国家节约数亿元投资。
2)对于后期养护，相比维修时工作人员需多次上、下铁塔的传统方案，维修人员可直接通过桥面通道进行灯具维修，将高空作业变为桥面作业，减小安全隐患，提高维修作业效率。该方案将一举解决困扰山区机场多年的高铁塔助航灯光系统维护难、检修险的难题。
3)对于周边限制，桥梁方案对地形环境的适应性更好，可灵活调节跨度以适合各类复杂地形、地貌，并方便跨越现有（规划）的公路、铁路、河流、建（构）筑物等，在机场新建和改扩建时可大量规避拆迁、改线，节省土地或者减少围填海、填湖指标。
4)对于发展方向，在后续相关工点设计中，可针对实际条件，开展不同桥型、不同主梁型式、不同桥墩型式的综合比选。梁式钢桥的单跨跨度应该能超过150m；地形地质条件具备的情况下，也可以考虑采用拱桥方案。施工组织设计上，上部结构除了预制吊装外，还可借鉴采用顶推施工等桥梁工程领域较为成熟的工法。
5)对于设计手段，模块化设计能够显著提高效率和适用范围。基于BIM开发模块化设计，以标准化单个桁架作为设计单元，可在允许范围内灵活调整高度、跨度、墩数等参数，方便快捷地应用于不同项目，将设计周期降至一周以内。BIM高度集成了工程信息、设计信息、结构信息和建造完成后的运维信息，符合当下的结构数字化、信息化、标准化、工厂化、装配化的需求。
本设计方案作为支撑进近灯光系统的安装平台结构提出，属于一种较优的替代方案。设计人员在进行相关设计时，应考虑将桥梁方案与填方、铁塔等传统方案进行充分比选论证。如采用桥梁方案，建议参考公路、铁路、市政等行业做法，进行三种以上的桥型或桥跨布置比选后选择推荐方案。在具体设计时，建议充分利用钢材较强的跨越性能，开展最大跨径分析，同时进行最经济跨径的分析，按照安全、适用、经济、美观的原则确定最终方案。
来源：民航基建，作者：郑斐、彭运动等
